淀粉基可降解塑料的應用及發展趨勢

齊艷杰，吳霞，周瑞，柳傲雪(昌吉學院化學與應用化學系，新疆 昌吉 831100)

1 淀粉基可降解塑料概述

1.1 淀粉基可降解塑料定義及分類

淀粉基塑料是將改性后的淀粉與其他不同化合物或者單體進行混合，在一定工業條件下，通過擠出或者鑄塑等塑料加工、發泡形成的熱塑性塑料。依據生產原料和加工方式不同主要分為淀粉填充型塑料、共混型淀粉塑料、全淀粉型塑料。淀粉填充型塑料是將改性后的淀粉、增溶劑和增塑劑等共混制成淀粉母料，將母料再與通用塑料共混制得。共混型淀粉塑料是淀粉與半纖維素、木質素、纖維素、果膠、蛋白質等天然高分子物質可混合制備成完全可降解生物塑料制品。全淀粉塑料是指以天然淀粉為主體，對分子結構處理，使其分子結構變得無序化并形成具有熱塑性的淀粉樹脂，再加入適量的可降解助劑從而制備成生物全降解塑料。

1.2 淀粉基可降解塑料降解機理

淀粉基可降解塑料降解方式有三種：光降解、生物降解、光-生物降解。光降解是使大分子鏈斷裂成小分子，然后被微生物吞噬降解；生物降解通過微生物先吞噬淀粉基塑料中含有的淀粉，塑料比表面積大大增加，同時微生物分泌出的酶進入到聚合物的活性位置并發生作用，致使聚合物的強度下降，另一方面添加的自氧化劑能與土壤中的金屬鹽反應，切斷聚合物的分子鏈，增大比表面積的同時增加斷裂速度，微生物可進一步使低分子不斷分解，最終生成二氧化碳和水直至被完全降解。光-生物降解塑料是指在淀粉基塑料產品制作時，日光、熱、氧，引發光敏劑、促氧劑等物質，在降解過程中，微生物先把淀粉等生物降解劑降解，減弱高聚物基礎，使高聚物母體變得疏松，增大表面/體積比。添加助劑的光氧化自氧化作用導致高聚物的鏈被氧化斷裂，分子量下降最終并被微生物吞噬消化[1]。

2 淀粉基可降解塑料的應用

淀粉基可降解塑料使用性能不斷優化，使其具有廣闊的發展空間和良好的市場前景。目前在農業、包裝材料、醫療等方面被廣泛使用。

2.1 農業生產中的應用

我國作為農業大國，地膜被廣泛使用，可有效控制土壤濕度、溫度，防病蟲、抑制雜草，增加產量。國內種地面積廣，對地膜需求量大，據國家統計局數據顯示，2015年我國地膜覆蓋面積達2.75億畝，使用量為145.5萬噸，10年后，預計地膜覆蓋面積增加為3.3億畝，使用量超200萬噸，同時每年新增20～30萬噸不可降解的殘留地膜[1]。這種傳統塑料地膜被廢棄后無法降解，留在田地污染土壤和地下水資源，并對農作物生長有一定影響。目前，解決殘留地膜主要以機械回收和人工撿拾為主，不能長期、徹底清除殘留地膜，因而，最有效、可行的辦法為采用可降解地膜。其中，淀粉基可降解地膜研究相對較多，閆美珍等[2]為提高淀粉基塑料膜的可降解性能，將交聯淀粉進行偶聯化疏水處理，處理后可明顯提高淀粉基塑料膜其耐水性、力學性能并降低吸水率。美國農業部將含水40%～60%的膠化淀粉與乙烯丙烯酸共聚物共混制備可降解地膜。

農業上化肥也是必不可少的一部分，但就傳統化肥來看，利用率低、成本高、化肥污染等問題嚴峻。淀粉基可降解塑料可用于制作農藥、化肥等的緩釋基材，使有效成分緩慢釋放，解決了傳統化肥利用率低的問題。劉秉智等[3]利用改性后的淀粉為原料開發的包膜磷酸二氫銨二元緩釋劑肥料，這種肥料易被微生物吞噬降解，肥料養分利用率提高，減少了化肥污染，且該產品生產工藝簡單，價格低廉，具有良好的應用前景。

2.2 包裝材料中的應用

中國是包裝制造大國，塑料包裝在整個包裝產值中占近三分之一，傳統塑料因其優異的使用性能，被廣泛應用到生活中的方方面面。傳統塑料廢棄后很難降解，造成白色垃圾的形勢更加嚴峻。這些塑料制品若填埋會對土壤嚴重污染，影響農作物生長；若焚燒產生的氣體對大氣和環境有一定污染；若回收利用，受風化作用和自然磨損，會影響其二次使用性能。因而研究人員再次將研究方向定在可循環利用、環保、可降解的材料上。將天然淀粉與增塑劑共混制備的熱塑性淀粉具有較好的性能，其中，聚乳酸和熱塑性淀粉共混，被稱為21世紀最有前途的新型包裝材料。

果蔬包裝材料由于運輸過程中時間較長，果蔬保質時間短，需用保鮮膜延長儲存期。科研人員發現，淀粉基塑料保鮮膜具有良好的保鮮功能，楊月等[4]將木薯淀粉保鮮膜液涂抹在橘子表面后形成了一層薄薄無色的保鮮膜，從而達到延長橘子的貯藏期。隨著對可降解塑料的不斷研究和完善，其各方面性能將會不斷增強，逐漸替代傳統塑料。

一次性餐具方面，由于我國人口眾多，食品消費總量巨大，用于食品包裝的非降解材料造成的環境污染非常嚴重。近年來，“互聯網+”正潛移默化地改變人們生活方式、消費方式和行為習慣。網絡外賣以其實惠、便利等特點深受上班族與學生族的青睞，“懶人經濟”和“快節奏生活”促進了互聯網餐飲外賣的迅猛發展，只要輕松一點便能夠讓足不出戶的人們享受八方美食，但是每產生一份外賣產生的垃圾卻是呈現好幾倍的分量，比如就單獨任何一份外賣，有可能包括一次性塑料餐盒、塑料餐蓋、食品袋、塑料勺、飲料杯等廢棄物，數量更是驚人。且塑料是石油基產品，石油價格的波動也造成塑料產品價格的不穩定，而可降解材料的使用能很大程度上緩解對塑料制品的需求和環境壓力。

可降解餐具其主要成分為可降解塑料，目前公認的最有希望的生物降解塑料主要有淀粉、聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸等，其中淀粉作為一種天然高分子化合物，豐富易得，價格低廉可再生且完全降解是最具潛力的可降解材料之一。但由于淀粉耐熱性差、成型加工困難，嚴重制約了淀粉材料的應用，研究發現對淀粉改性使其具備熱塑性，并添加增塑劑可提高淀粉基可降解塑料的性能。目前市面上已研發的淀粉基可降解材料在力學性能方面還有待提高且生產成本高，不利于大批量生產，因而研發出一種耐熱、耐濕、機械性能好、生產成本低的淀粉基可降解材料具有實際意義。

2.3 醫療衛生材料中的應用

淀粉基材料具有可生物降解、安全性能高、無毒性等特性，在醫療上被廣泛應用。一方面在醫療器材上可以應用淀粉基材料，另一方面可在醫藥制備上利用淀粉基可降解塑料。

福建農林大學[5]研發的一款用于包裝藥片的包裝容器。藥片瓶需要具有良好的避光性和密封性，有隔絕外部細菌和溫度等效果，并且對其安全性和無毒性要求較高。常見藥瓶一般是聚氯乙烯或玻璃瓶制得，這些藥瓶不能降解、同時存在藥物殘留等問題，但一些不良商家會非法低價收集被廢棄的塑料藥瓶進行再次生產，制成一次性餐盒等產品出售獲利，這種產品對人體傷害極大。淀粉基可降解塑料可完全降解、無毒無害，若被用在藥瓶等醫療包裝材料上，是一種很好的選擇。利用淀粉基可降解材料制備的淀粉膠囊是公認最具有潛力的新型膠囊產品。雷俊華等[6]使用蠟質大米經過化學改性得到改性淀粉，用此改性淀粉作為賦性劑應用到布洛芬劑中，制得了一種耐高溫的布洛芬片劑。

生物基可降解塑料的代表是PLA，又稱聚乳酸，原材料主要為玉米淀粉，以PLA為原料制成的產品性能優異，具有良好的生物相容性，還具有一定的耐菌性，阻燃性和抗紫外線能力，因此可用于醫用繃帶、一次性手術衣、醫療固定裝置、室外裝置物等方面，用途十分廣泛。

3 淀粉基可降解塑料存在的問題及發展趨勢

3.1 存在問題

目前研制出的淀粉基可降解塑料的綜合性能如機械強度、耐熱性、耐濕性等與傳統塑料性能相比仍有差異。在降解方面尚不能達到我們所期待的程度，大部分可生物降解的塑料是局部失重、碎裂成小碎片，并沒有完全消失。且成本較高，為保證其綜合性能，在制備過程中需添加輔助劑，導致成本上升，若想大范圍推廣在價格上受到一定限制。

3.2 發展趨勢

2020年我國出臺《關于進一步加強塑料污染治理的意見》再一次加大力度整治塑料污染問題，被市場稱為“禁塑令”，提出禁止限制使用的塑料制品，制定了具體的退出時間表，明確分2020年、2022年、2025年三個節點實施，確保大量減少塑料制品的使用，意味著部分傳統塑料的需求將向可降解塑料轉移，若按照替代傳統塑料的50%計算，每年新增可降解塑料的需求為250萬噸，這是值得關注的新興領域。淀粉是生物基塑料最具價格競爭優勢之一，在可持續發展戰略中具有廣闊發展前景。淀粉基可降解塑料研究中應關注以下3點：

(1)目前淀粉基可降解塑料的相容性是研究熱點，開發環境友好的相容劑，使淀粉與其他材料混合時相容性更高。

(2)提高淀粉基可降解塑料制品的綜合性能，使其應用不僅局限在地膜、藥物膠囊、包裝材料等方面，應開發更高端的市場。

(3)若將納米技術或新型材料應用于生物淀粉基塑料，塑料制品的性能將會產生質的飛躍。

4 結語

淀粉基可降解塑料滿足減量化、再資源化、無害化等可持續發展要求，作為環境友好型材料，可有效緩解傳統塑料制品所造成石油資源匱乏、土壤的污染、地下水資源污染、白色污染等問題。因而淀粉基可降解塑料的研究意義重大，在全球都提倡綠色發展的前提下，如果淀粉基可降解塑料可以取代傳統的塑料，將為我國環境保護工作作出巨大貢獻。